煤矿冲击矿压及防治措施设计专题报告

专题部分 煤矿冲击矿压及防治措施摘要：冲击矿压作为煤岩动力灾害之一，越来越受到煤矿行业的关注，尤其是随着各个矿井开采深度的增加，冲击矿压现象更是屡见不鲜。对于冲击矿压的监测我们有很多方法，如钻卸法、微震监测技术、声发射技术、电磁辐射技术等等。由于冲击矿压具有突然性、瞬时性、破坏性的特征，对于冲击矿压的发生机理仍没有一个统一的认识，本文从冲击矿压的特征，发生条件以及影响冲击矿压的因素出发，研究了冲击矿压发生机理以及各种防治技术，并提出了自己的理解。关键词：冲击矿压；控制技术；监测；防治；1 问题的提出由于发生冲击矿压的时间、地点、区域、震源等的随机性、复杂多样性和突发性，使得冲击矿压的监测和控制工作变得极为困难和复杂。冲击矿压的防治是世界范围内地下煤矿开采普遍存在的难题，也是我国矿山亟待解决的重大课题。因此，研究冲击矿压的监测与控制是煤矿安全、经济开采的前提，也是采矿工作者必须面对和应该解决的问题。冲击矿压作为煤岩动力灾害，有记载的第一次发生于1738年英国南史塔福煤田。200多年来。其危害几乎追布世界各采矿国家。英国、德国、南非、波半、的苏联、捷克、加拿大、日本、法国以及中国等20多个国家和地区都记录有冲击矿压现象。我国煤矿冲击矿压灾害极为严重。我国最早自1933年抚顺胜利矿发生冲击矿压以来，先后在北京、辽源、通化、阜新、北票、枣庄、大同、开滦、天府、南桐、徐州、大屯等矿务局部相继发生过冲击矿压现象。目前，我国有近60对矿井累计发生过4000多次冲击矿压，造成数以百计的人负伤，巷道破坏达30多公里。由于冲击矿压有如此巨大的破坏力，造成这么大的经济损失，因此如何预测和防治冲击矿压以及认清冲击矿压发生机理对减轻冲击矿压的破坏具有非常重要的作用。2 国内外冲击矿压现状2.1 国外现状冲击矿压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击矿压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、典地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击矿压。目前，有包括我国在内的20多个国家和地区都有冲击矿压这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。煤矿冲击矿压灾害最严重而且防治工作最有成效的国家是前苏联、波兰和德国。2.1.1 前苏联前苏联的冲击矿压最早于1947年发生在吉谢罗夫矿区。此后共有9个矿区出现了冲击矿压问题。发生冲击矿压的一般条件是：初始深度为400-1860 m煤0.5-20m在各种倾角、各个煤种(包括褐煤)中都记录到冲击矿压现象、多数情况下顶板为坚硬砂岩，也有一些煤田是破碎顶板。开采技术条件涉及到刀柱式或长壁式等开采方法；充填或垮路等顶板管理方法；整层或分层开采情况。自1951年起，全苏地质力学及矿山测量研究院以及其他研究单位和高等院校等几十个单位配合国家技术监察部门与生产单位一起着手解决煤矿的冲击矿压问题。经过25年的努力，基本上形成了一整套防治冲击矿压的组织管理系统，并制定了有关技术规程，发展并逐步完善了一整套行之有效的防治措施和预报方法，取得了良好效果，冲击次数大为减少。1955-l977年冲击危险矿井数出8个增至36个、而年冲击次数则由83次降至7次。1980年以后又降至56次。在前苏联金属矿，冲击矿压的频度比煤矿要小得多，其主要形式为岩石弹射、震动和微冲击。开始出现的深度为川300-700 m，主要岩石种类为辉绿岩、正长岩、花岗岩、凝灰岩以及铁矿石、铝土矿石、铜矿石、钾盐矿石等，平均单向抗压强度100250MPa，最低2530MPa。前苏联金属矿防治冲击矿压的基本措施原则上同煤矿的没有差别。2.1.2 波兰波兰有三个井工矿开采煤田：上西里西亚、下西里西亚和鲁布林。产量的98来自上西里西亚煤田。该煤田中煤的强度为1035MPa煤层厚0.520 m(一般1.535m)，倾角0-45(一般515)平均采深600 m顶板大都为坚硬砂岩。长壁工作面产量占99，其中70为垮落法开采。其余为水砂充填。工作面平均长150 m，日产1300-1400t商品煤。机械化程度96.2，其中综采站83.7。冲击矿压是波兰煤矿重大灾害之一，最早记载于1958午。目前开采的400号、500号、600号、700号和800号煤层组中45以上的煤层有冲击矿压倾向，其中500号煤层组最为严重。开始发生冲击矿压灾害的平均采深约为400m，随着采深的增加，冲击矿压危险越来越严重。冲击矿压强度一般为105-109J，最大是1011J。1949-1982年，共发生破坏性冲击矿压3097次，造成死亡401人，井巷破坏13万m。波兰很重视冲击矿压问题早在20世纪60年代初期就着手大力开展科学研究和防治工作。煤层的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的。此外，在将岩体声学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面，居世界领先地位。由于采取综合防治措施，保证了安全，促进了生产。2.1.3 德国鲁尔矿区是德国的主要产煤区，也是发生冲击矿压的主要矿区。1910-1978年间共记载了危害性冲击矿压283次，有冲击倾向或危险的煤层20余个，其中底克班克、阳光和依达煤层具有最强的冲击倾向，其抗压强度l0-20MPa，煤种为长焰煤、气煤和肥煤等。冲击矿压发生深度5901100 m，其中850-1000 m冲击矿压数占75%左右，最大抛出量2000m3。发生冲击矿压的煤厚为1-6m，其中主要为1.5-2m，倾角4-44。在德国，产生冲击矿压的煤层顶板绝大部分是540 m较厚的砂岩或其他坚硬岩层，因而，认为砂岩顶板是冲击矿压危险煤层的主要标志。德国是防治冲击矿压较有成效的国家，其主要的工作点在于实用。由德国所发展的钻孔卸载法、钻屑法以及其他方法在国际上享有较高声誉。2.2 国内现状我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200 m左右。从1949年以来已发生破坏性冲击矿压4000多次，震级Ml0.5-3.8级，造成大量巷迫破坏和惨重的人员伤亡，近年来我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。我国煤矿发生冲击矿压有如下特征： (1)突然性。冲击矿压发生前没有明显的征兆突然、猛烈。 (2)多样性。煤层冲击、顶板冲击、底板冲击等两三种冲击的组合。 (3)破坏性。片帮和煤炭抛出，顶板突然下沉、底鼓、破坏巷道支护，造成人员伤亡等。 (4)在各种采矿和地质条件下均发生过冲击矿压。除了褐煤煤层外我国煤矿的其他各种煤层均发生过冲击矿压而且采深从2001000 m，煤层厚度从薄到厚。煤层倾角从缓到急，各种顶板条件如砂岩、页岩、石灰岩等均发生过冲击矿压。我国煤矿发生冲击矿压的典型条件为：初始深度200-600 m，煤的单向抗拉强度10-30MPa，顶板一般为厚10-40m的坚硬砂岩、强度100-600MPa。然而，具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200一800 m，地质构造从极简单至极复杂煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油渌页岩等部发生过；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现了冲击现象。1949年以前我国发生冲击矿压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，目前达50个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，近年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击次数并未减少。可见，我国冲击矿压的防治工作任务其为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。综上所述，世界采矿业发少冲击矿压的历史已近250年之久，近30年来，冲击矿压所造成的破坏后果日益严重，引起了各国的注意。冲击矿压的研究已成为矿山压力学科中与现代科学联系最密切的一个独立的学科分支。3 冲击矿压诱因、特征及其分类3.1 诱因采矿活动诱发。在回采过程中，因回采工作面不断扩大，顶板悬露的面积逐渐增大，达到一定跨度后，其弯曲下沉而形成的势能也逐渐加大，使顶板处于亚稳定状态，爆破落煤及回采作业使顶板原有的相对平衡状态发生破坏，同时爆破作业又对煤体或顶底板产生一定的震动冲击，并在爆破孔周围形成自由面，爆破能对煤体或顶底板产生的压应力被煤体和顶底板吸收后，原本处于亚稳定状态的煤体和顶底板，必然将自重产生的势能加上吸收的动能以加速度的形式寻找新的平衡，即产生新的动能，受压应力影响区域的煤体或顶底板随即产生反抗性，当新的动能超过煤岩体的最大抵抗值时，必然在自由面相对较多的弱面释放，使煤体产生急剧破坏，形成冲击矿压事故。坚硬顶板运动的影响。工作面回采后，随着工作面的推进，顶板因自重缓慢弯曲下沉，由于工作面煤壁的支撑作用，在缓慢弯曲下沉及折断垮落过程中完成了由势能向动能的转换，并作用在靠近采空区的支固点处(未采动的煤壁)，使靠近工作面的煤壁内产生大的应力集中，在集中应力的作用下，煤体内固有的三向应力平衡状态被改变，工作面煤壁内的煤体在寻找新的平衡时，因集中的应力远大于煤体的支承能力，加上工作面或巷道存在的自由面无法有效约束煤体的内部活动，从而使煤体在瞬间由煤体向工作面或巷道内迅速抛出，形成冲击矿压事故。 (孤岛)煤柱区域形成高应力区的影响。在回采过程中，自切眼开始，随着工作面的推进，靠近工作面的煤壁因顶板自重应力的作用，出现应力集中现象，此应力并经过煤体向底板内传递，而在回采过程中形成的孤岛煤柱，其相临采空区的煤壁均因应力集中而出现叠加的集中应力现象，使整个煤柱成为一个极大的压应力源，一旦集中应力远大于煤体的承载极限，就极容易发生冲击矿压。3.2 特征冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响。造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。冲击矿压具有如下明显的显现特征：突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生、难于争先准确确定发生的时间、地点和强度。瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达儿公里甚至几十公里地面有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架，从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。3.3 分类根据应力状态、显现强度、发生的地点和位置的不同，冲击矿压有如下几种分类方法。根据原岩(煤)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类重力型冲击矿压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力影响的条件下引起的冲击矿压，如枣庄、抚顺、开滦等矿区发生的冲击矿压属重力型。构造应力型冲击矿压。若构造应力远远超过岩层自重应力时，主要受构造应力的作用引起的冲击矿压，如北票和天池矿区发生的冲击矿压属于构造应力型。中间型或重力构造型冲击矿压。它是受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。(2) 根据冲击的显现强度，可分为四类：弹射。一些单个碎块从处于高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。矿震。它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏。但煤、岩并不向已宋空间抛山、只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本上没有损坏，围岩产生震动，一般震级在22级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。强冲击。部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动。震级在23级以上，伴有巨大声响，形成大量煤尘和产生冲击波。(3)根据震级温度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压，分为三级： 轻微冲击(1级)。抛出煤量在10t以下，震级在1级以下的冲击矿压；中等冲击(级)抛出煤量在10-50 t，震级在12级的冲击矿压；强烈冲击(级)。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压；胶面波震级M1时，矿区附近居民可能有震感；M2时对井上下有不同程度的破坏；M25时，地面建筑物将出现破坏现象。(4)根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类煤体冲击，发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。围岩冲击，发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。4 冲击矿压发生机理长期以来，冲击矿压作为岩石力学的重大难题之一，一直是国内外学术界和工程界关注的重要研究课题。冲击矿压发生机理十分复杂，是一个正在深入研究的问题、更是关注的焦点。各国学者在对冲击矿压现场调查从实验室研究的基础上，从不同角度相继提出了一系列的重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论、三准则理论和变形系统失稳理论等。20世纪60年代以后，在对冲击矿压的研究中，人们逐渐认识到冲击矿压是裂纹扩展及变形局部化导致的失稳现象与具有裂隙的各向异性岩石介质的力学性质和围岩在外加载荷作用下应力应变场的演化与失稳密切相关。冲击矿压是压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道。同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其它矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统等。冲击矿压的发生需要满足能量条件、刚度条件和冲击倾向性条件。这些条件可用煤层和顶底板的刚度来说明。当煤层和顶底板的刚度均大于零，则煤岩体处于稳定状态；当煤层的刚度小丁零，但煤层和顶底板的刚度之和大于或等十零则煤岩体处于亚稳定或静态破坏状态；当煤层和顶底板的刚度之和小于零时，煤岩体将产生剧烈破坏，发生冲击矿压。4.1 强度理论早期的强度理论主要涉及煤(岩)体的破坏原因。认为井巷和采场周围产个应力集中。当应力达到煤岩)强度的极限时煤(岩)体突然发生破坏，形成冲击外压：并对煤（岩)体形成应力集中的原因提出各种假说如20世纪30年代末的拱顶理论和悬臂梁理论等等。近代强度理论以“矿体 围岩”系统为研究对象其主要特点是考虑“矿体一围岩”系统的极限平衡；认为煤(岩)体的承载能力应是“煤体-围岩”系统的强度导致煤(岩)体破坏的决定因素不仅仅是应力值大小、而是它与岩体强度的比值。4.2 刚度理论刚度理论是由Cook等人根据刚性压力机理论而得到的。该理论认为：矿山结构的刚度大于矿山负载系统的刚度是发生冲击矿压的必要条件。近年来Pdukhov在他所提出的冲击矿压机理模型中也引入了刚度条件。但他进一步将矿山结构的刚度明确为达到峰值强度后其裁荷-变形曲线下降的刚度。在刚度理论中，如何确定矿山结构刚度是否达到峰值强度后的刚度是一难题，它不能由试验测定。数值方法可能是有效途径之一，但目前的结果仍称在一定的偏羌需要开展进一步的研灾工作。4.3 能量理论能量理论从能量转化角度解释冲力矿压的戊因，是冲击矿压机理研究的一大进步。该理论认为矿体围岩系统在其力学平衡状态遭破坏所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击矿压。20世纪70年代Brauner提出冲卡矿压的能量判据，该判据考虑乐能量释放与时间因素的相关性。其后，吴耀混等对此加以补充修正引入空间坐际系统以说明冲击矿压发生的条件应同时满足能量释放的时间效应和空间效应。冲击发生的能量源分析全义重要。Pet Mkh c认为冲击能量由被破坏的煤(岩)积蓄的能量和邻接于煤柱或煤(岩)层边缘部分的弹性变形能所组成、即从外部流人的能量赋予冲击矿压以动力。剩余能量理论认为剩余能量的存在是围岩动力失稳的力学原因，该理论20世纪70年代由美国人提出，其后得到了进一步的发展相应用。能量理论说明矿体-围岩系统在力学平衡状态时，释放的能量大于消耗的能量，冲击矿压就可能发生，仅没有说明平衡状态的性质及其破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，因此，冲击矿压的能量理论判据尚缺乏必要条件4.4 冲击倾向性理论冲击倾向性是指煤(岩)介质产生冲击破坏的固有能力或属性。煤(岩)体冲击倾向性是产生冲击矿压的必要条件。冲击倾向理论是波兰和前苏联学者提出的，我国学者在这方面作了大量的工作，提出用煤样动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数三项指标综合判别煤的冲击倾向的试验方法。此外，在试验方法、数据处理及综合评判等研究中取得了一定的进展。冲击倾向理论的另一重要方面是项板冲击倾向性的研究，而且也越来越引起人们的重视。这方面的研究包括顶板弯曲能指标和长壁开采方式下顶板断裂引起的煤层冲击等。显然，用一组冲击倾向指标来评价煤(岩)体本身的冲击危险具有实际意义，并已得到了广泛的应用。然而，冲击矿压的发生与采掘和地质环境有关，而且实际的煤(岩)物理力学性质随地质开采条件不同而有很大差异，实验室测定的结果往往不能完全代表各种环境下的煤(岩)性质，这也给冲击倾向理论的应用带来了局限性。4.5 稳定性理论稳定性理论应用于冲击矿压问题最早可追溯到20世纪60年代初期Ncvillecook的研究。刚性试验机的出现使人们可以获得受压岩石的全应力-应变曲线得到岩石峰后变形的描述，从而可以研灾采动岩体的平衡以及这种平衡的稳定性。Lippnlnnn将冲击矿压处理为弹塑性极限静力平衡的失稳现象进一步又提出煤层冲击的“初等理论”，同时而在采场周围形成应力集中煤(岩)体内高应力区局部形成应变软化介质与尚未形成应变软化(包括弹性和应变硬化)的介质处丁非稳定平衡状态，在外界扰动下的动力失稳，形成冲击矿压，提出冲击矿压的失稳理论，并得到了初步的应用。4.6 目前研究现状在目前的研究中，以断裂力学和稳定性理论为基础的围岩近表面裂纹的扩展规律、能量耗散和局部围岩稳定性研究备受关注大量研究表明裂纹的扩展方向受最大压应力方向控制，围压对裂纹的扩展起限制作用。vardolakis研究指出近自由表而的裂纹一旦开始扩展，将失去稳定，导致表面局部屈曲，临界屈曲应力随自由表面与裂纹间距离的减小而急剧减小Dyskm对壁面附近裂纹扩展方式及裂纹贯穿后的壁而稳定进行了分析，认为压应力集中造成初始裂纹以稳定的方式平行于最大压应力方向扩展这种扩展与自由表面相互作用加速了裂纹的增长并最终导致失稳扩展，裂纹面出现分离，分离层屈曲破坏形成冲击矿压。并建立了一个二维裂纹扩展模型以计算非稳定裂纹起裂点的应力大小。BAzant等分析了近壁裂纹扩展引起的能量耗散及尺度效应，使对冲击矿压的能量估算成为可能。张晓春等在这方面结合实际情况对近表向裂纹扩展、壁面局部稳定性作了初步的研究探讨了煤矿巷道附近围岩层裂区的形成和破坏机理，通过理论分析和试验模拟，建立了煤矿片帮型冲击矿压发生的层裂板结构失稳破坏模型，认为巷道或采场壁面的局部稳定是出高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的，冲击刃压是煤逐形成的层裂板结构区的局部压屈。齐庆新等在煤与岩石以及煤层之间摩擦滑动实验研究基础上，考察了煤矿冲击矿压煤岩层间结构粘滑失稳机制。材料破坏的分叉理论是冲击矿压研究的一个重要方而，vardmllakM和Deborst等作了以系列的工作，并在数值计算上采用粘塑性、塑性应变梯度和Cosscrat介质理论的本构关系等，以求实现对破坏失稳部位的预测。近年来，突变理论在冲击矿压研究中也取得了一系列的进展。这包括：针对煤柱的非稳定问题，利用尖角突变模型，得到了判断煤(岩)柱冲击矿压发生的必要条件和充分条件；分析水平力和垂直力控制的空间煤(省)体系统失稳的分叉集以及出于它们变化而导致煤岩体状态突变的过程。这些研究在煤岩体的本构关系方面采用线性(弹性)和非线性(应变软化、损伤)模型。5 冲击矿压影响因素5.1 开采深度我们知道，随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。理论上讲，煤层在采深为H且无采动影响的三向应力状态下其应力为：则煤体中的体积变形聚积的弹性能为形状变形而聚集的弹性能为： 若煤层中的形变能全部用于煤体的塑性变形，体变能全部用于破坏煤和使其运动，则：式中 设煤的单向抗压强度为Rc，则破碎单位体积煤块所需能量U1为： 假设巷道周边煤体处于双向受力状态，则所需能量比U1要大，现用一系数K0(K01)来表达，则破碎单位体积煤块的能量U2为：若UvU2就可能发生冲击矿压，这样就可求得发生冲击矿压的初始采深H为：统计分析表明，开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大：开采深度与冲击矿压发生次数的多少，有如图4.1的关系(波兰煤矿情况，横坐标为采深，纵坐标为冲击指数W，即开采百万吨煤炭的冲击矿压次数)。考虑到安全界限可以确定当深度H350 m时，冲击矿压不会发生；当深度350mH500 m时，在一定程度上危险逐步增加。从500m开始，随着开采深度的增加，冲峦矿压的危险性急剧增长。从图中可以看出，当开采深度为800m时，冲击指数Wt0.57，比在深度Eoo nt(Wt0.04)增加了14倍。而从Wtf(H)的曲线趋势看，当开采深度非常大时(1200-1500m)冲击指数的梯度将会减小但其值会非常高。图4.1 采深与冲击矿压的关系5.2 煤岩的力学特征生产实践与试验研究均表明：（1）在一定的围岩与压力条件下任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击矿压。（2）煤的强度越高。引发冲击矿压所要求的应力越小，反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击矿压就需要比硬煤高得多的应力。（3）煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之。对煤的冲击倾向性评价，主要采用煤的冲击能量指数和弹性能量指数，即：冲击能量指数：Ke5 强冲击倾向1.5Ke5 中等冲击倾向Ke1.5 弱冲击倾向弹性能量指标Wet5 强冲击倾向2Wet5 中等冲击倾向Wet2 弱冲击倾向5.3项板岩层的结构特点研究表明顶板岩层结构特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导致顶板煤层型(冲击压力型)冲击矿压或顶板型(冲击型)冲击矿压。5.4煤层厚度及其变化根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化紧密相关。煤层越厚，冲击矿压发生得越多，越强烈。图4.2和图4.3为砚石台矿统计的煤层厚度及其变化与冲击矿压之间的关系。 图4.2煤层厚度与冲击矿压的关系 图4.3煤层厚度与抛煤量的关系5.5煤层分叉的影响某矿630水平的工作区域内510煤层分为504和510煤层，其间的间距在开采工作区域内从无增加到15m。该结构的出现，造成了煤层和顶板条件的变化，从而引起了冲击矿压危险状态的变化。图4.4介绍了构造变化区域内E/W(生产单位体积的煤所释放的能量）的分布规律。图4.4构造变化区域内E/W的分布5.6 断层的影响实践证明，冲击矿压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层摺曲、构造应力带。例如龙凤矿在向斜轴部准备工作面时经常发生冲击矿压。当巷道接近断层或向斜轴部时，冲击矿压发生的次数明显上升，而且强度加大。例如在龙风50次冲力矿压中，36次(72)与断层有关。 62是巷道接近断层时发生的，14是巷道处于断层线附近，而只有10是在巷道离开断层时发生的。其中34%发生在巷道距断层520mm范围内的：图4.5为冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系。图5.5冲击矿压次数与巷道距断层距离之间的关系实践农明相当一部分震动集中在断层附近。其中在断层的上盘开采时的震动能量大于断层下盘开采时的震动能量。在向斜部分开采时，震动也很强烈。在断层和向斜附近震动集中的原因是地壳的运动形成的残余构造应力。该应力与开采引起的应力集中叠加的位置即为岩体震动的位置。5.7 褶曲的影响我们知道褶曲是岩层在水平应力挤压下形成的，这种褶曲大部分在沉积岩层中形成。研究表明，当温度相对较低时沉积岩挤压形成流动呈褶皱而不产生破裂(断层)，这可以认为是压力溶解蠕变起了重要作用，即当差异应力作用于岩石时，矿物在高应力区溶解，而在低应力区沉积，结果是岩石变形。一般情况下，对于巷道及回采工作面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的，如图4.6所示，I区，褶曲向斜部分，这部分其应力，垂直为压力，水平为拉力、最容易出现冒顶和冲击矿压；区沼曲翼。这部分的应力垂直和水平均为压力，最易出现冲击矿压；区榴曲背斜其应力状态为垂直拉力，水平压力，这部分也是最大矿山压力区域。图4.6褶曲部分的受力状态及危险性5.8 开采设计和开采顺序当在几个煤层中同时布置几个工作面时工作面的布置方式和开采顺序将强烈影响煤岩体内的应力分布。矿井中，冲击矿压经常出现在：（1）工作面向老塘推进时；（2）在距采空区15-40 m的应力集中区内掘进巷道（3）两个工作面相向推进时；（4）两个近距离煤层中的两个工作面同时开采时。5.9 上覆煤层工作面停采线的影响上覆煤层工作面的停采线形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威协，使冲击矿压的危险性有很大的增加。如果我们定义E/W为观测范围内单位生产煤量所产生的震动能量(J/t)，则上覆煤层的停采线对回采工作面的推进过程中影响的E/W指标值如图4.7所示。其中504、501煤层距510煤层分别为40 m和64m。当510煤层的下山经过上覆煤层的停采线时，E/W指标的变化清楚、详细地表明了冲击矿压危险性增加的区域。图4.7巷道过上层停采线时E/W分布图5.10 上覆煤层残采区的影响图4.8采面过上层残采区时E/W分布图图4.8介绍了工作面通过上覆煤层残采区时的E/W指标值的变化曲线。图中416煤层的残采区距501煤层70m。图中表明了残采区范围内震动的活动性和冲击矿压的危险性，该区域内最大的冲击能量力2.2106J。以上表明，残采区对下部煤层的开采影响很大，冲击矿压的危险性大幅度增加。5.11 采空区的影响 图4.9介绍了采煤工作面接近来空区的E/W指标值的分布规律。图4.10介绍了邻近工作面的采空区对该工作面的影响。从图上可以看出，当工作面接近已有的采空区，其距离为20-30m时，冲击矿压的危险件随之增加，如果工作面的旁边有上一区段的采空区，该采空区也使得冲击矿压的危险性增加，危险发生的最大位置在距煤柱10m左右。图4.9 采面接近旧采空区时E/W分布 图4.10 邻近采空区对开采工作面得影响5.12 老巷的影响 图4.11介绍了工作面过同煤层老巷时E/W指标值的变化规律。从图中可以看出，当工作曲接近老巷约15m左右时，冲击矿压的危险性最大。图4.11 采面过老巷时E/W分布5.13 开采区域的影响在煤层开采面积增加的情况下岩体的震动能量也随之增加。研究表明，当开采面积为3ha时，释放的单位面积的震动能量为最大。图4.12表示了释放的总地震能与工作面开采面积之间的关系。该采面采高为2.5m。图4.12 总能量与开采面积之间的关系图6 冲击矿压的监测6.1 煤岩冲击破坏的监测原理大量的实验室试验、现场测试、模拟研究均表明,煤岩等固体脆性材料在载荷作用下,其变形破坏特征为脆性冲击破坏;冲击破坏具有突发性和延时性;冲击破坏过程中内部将产生塑性变形或裂纹,当裂纹形成和扩展时,将瞬态释放应变能而产生弹性波. 伴随着这种现象,将会有声发射产生;同样当煤岩体等材料受载变形破裂时,将会产生向外以电磁能的形式释放弹性能的现象. 伴随着这种现象,将会有电磁辐射产生。因此可建立煤岩等固体脆性材料变形破坏的弹塑脆性体模型来描述上述煤岩等固体脆性材料变形破坏特征以及在其变形破坏过程中声发射和电磁辐射耦合规律. 而煤岩体的变形破坏程度可采用岩石的损伤因子来描述.岩石的损伤因子D( t) 的增长过程与声发射和电磁辐射的能量释放紧密相关.一般情况下,煤岩体在受载条件下,变形破坏时能量的变化U 可由下式来确定U = =(2 - 1 ) , (1)而且设破坏程度的损坏因子与变形呈线性关系 = C1 D - C0 , (2)则U = ( C1 D2 - C0 ) - ( C1 D1 - C0 ) . (3)由此,得U 与损伤因子的增量D ( t) = D( t2 )- D( t1 ) 成正比,也即D ( t) U u( t) , (4)即如果为常数,而且D ,则在弹脆性场中出现破坏时,破坏速率表现在瞬间能量u( t) 的释放中. 煤岩体的破坏情况可通过瞬间能量的释放表现出来, 即产生声发射和电磁辐射.对于煤矿井下的煤岩体,其冲击破坏是能量的聚积和快速释放的结果. 但在生产实践中,确定冲击破坏的发生是非常困难的,必须首先建立煤岩冲击破坏预测准则。根据弹塑脆性模型,当煤岩体上所受的应力超过了其强度极限,或者当煤岩体的变形超过了最大变形时,煤岩体就破坏. 如果( t) 是观测到的实际变形值,则危险程度W ( t) 将由下式确定W ( t) = 0 , ( t) 0 ,0 W ( t) =( t) - 0 - 0 1 , ( t) 0 .(5)式(5) 即为煤岩体冲击破坏的判别准则.由煤岩损伤、变形破坏即能量释放的分析可知,煤岩变形破坏的变化率与声发射、电磁辐射的能量释放率成正比. 因此声发射或电磁辐射确定煤岩破坏的危险程度可采用同样的方式. 即0 W n ( t) =N ( t) - N0N - N0 1 , N ( t) N0 , (6)式中N0 , N1 , N ( t) 分别表示初始、极限和t 时刻的矿震或电磁辐射事件数(脉冲数) 。6.2 冲击矿压分级预测技术6.2.1 时空预测在时间上,冲击矿压的预测分早期综合分析预测和即时预测. 早期综合分析预测主要采用综合指数的方法,而即时预测则采用电磁辐射、微震和钻屑等方法进行。在空间上,冲击矿压的预测分区域预测、局部预测和点预测. 区域预测主要采用综合指数法和微震监测方法,而局部预测采用综合指数方法、微震法和电磁辐射法,点预测则采用钻屑方法.也就是采用综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法相结合,在时间上从早期预测到即时预测,在空间上从区域预测到局部、点预测,逐级排除和确认冲击矿压危险,实现分级预测,见图5.1.图5.1 冲击矿压危险的时空预测1) 早期与区域局部预测的综合指数法综合指数法就是通过对影响冲击矿压发生的地质及开采因素的分析,以及100 多次已发生冲击矿压事故的分析,确定出采掘工作面周围地质条件和开采条件的每个因素对冲击矿压的影响程度,以及各个因素对冲击矿压危险影响的指数。 通过综合分析,形成了冲击矿压危险状态等级评定的综合指数法。 综合指数法既是一种早期综合评价的方法,又是一种区域和局部预测的方法。这种综合指数法分地质因素确定的冲击矿压危险程度和开采因素确定的冲击矿压危险程度. 地质因素确定冲击危险主要考虑了冲击矿压发生的情况、开采深度、地质构造、坚硬顶板、顶板厚度特征参数、煤的冲击倾向性、煤的强度等7 个因素。 开采因素确定冲击危险主要考虑了开采技术条件、开采历史、煤柱、停采线、采空区、工作面接近煤层的变化带、工作面接近断层皱曲等12 个开采因素对冲击矿压发生的影响。对于一个矿井的采区和工作面,首先分析矿井的地质与开采因素对冲击矿压的影响,然后采用综合指数法,分析确定矿井的水平、采区、工作面各部分的冲击矿压危险指数,划分出冲击矿压的危险区域和重点防治区域。2) 即时与区域预测的微震法微震法就是记录采矿震动的能量,确定和分析震动的方向,对震中进行定位。 在此基础上,提出了冲击矿压危险性的微震分级预测技术。微震预测冲击矿压危险时,主要采用矿震时释放能量的大小来确定冲击矿压发生的危险程度. 当矿井的某个区域监测到矿震释放的能量大于发生冲击矿压的所需的最小能量时,则该区域的当前时间内有发生冲击矿压的危险性. 如果在矿井的某个区域内,在一定的时间内,已进行了微震监测,根据观测到的微震能量水平,就可以捕捉到冲击矿压危险信息,并进行预测.3) 即时与局部预测的电磁辐射法根据大量的实验室试验研究、现场实测分析研究、理论分析表明,煤岩冲击变形破坏的损伤速度、能量与电磁辐射的幅值、脉冲数成正比。在工作面采掘过程中,围岩发生破裂时,均有电磁辐射信号产生。电磁辐射信号的强度随着围岩受载程度的增大而增强,随变形速率的增加而增强。 与此同时,煤岩体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大. 载荷越大,加载速率越大,煤体的变形破裂越强烈,电磁辐射信号也越强。根据上述理论及电磁辐射观测规律,可采用电磁辐射的幅值和脉冲数变化率确定冲击矿压的危险前兆信息和进行预测预报。4) 即时与点预测的钻屑法钻屑法是通过在煤层中打直径4250 mm 的钻孔,根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应,鉴别冲击危险的一种方法。该方法的基本理论和最初试验始于20 世纪60 年代,其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有定量的关系,即其他条件相同的煤体,当应力状态不同时,其钻孔的煤粉量也不同。 当单位长度的排粉率增大或超过标定值时,表示应力集中程度增加和冲击危险性提高。对于一定条件的煤体,在正常应力作用下,不同钻孔深度的煤体的应力状态是不同的,此时钻孔的煤粉量也不相同。 当煤层的应力集中程度增加或应力状态异常时,钻孔的煤粉量将发生改变。 根据煤粉量的变化,即可预测煤体的受力状态,并进一步预测冲击危险性。6.2.2 冲击矿压危险性的分级预测上述时空预测的综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法分别确定了冲击矿压的危险性程度。综合指数法分析的是早期的、区域和局部的冲击矿压危险性程度;微震法确定的是顶板等震动引发冲击等的即时与区域性的冲击矿压危险性程度,电磁辐射法确定的是监测点20 m 范围内即时与局部的冲击矿压危险性程度,而钻屑法确定的则是打钻孔点的即时冲击矿压危险性。冲击矿压危险性预测的方法不同,确定的冲击矿压危险性的时间和区域不同。 由于冲击矿压的发生有煤层型和顶板型,为了提高冲击矿压预测的可靠性和准确性,需要综合考虑冲击矿压危险性的预测技术。根据理论分析、实验室试验和大量的现场试验,按照冲击矿压的危险性程度,我们将冲击矿压的危险程度定量化分为4 级进行预测,分别为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险.根据冲击矿压危险性的不同,采取相应的防治对策,如表5.1 所示：表5.1 冲击矿压危险状态的分级危险等级危险状态危险指数防治对策A无 0.75停止采掘作业,人员撤离危险地点. 采取强度弱化减冲治理措施. 采取措施后,通过监测检验,冲击危险消除后,方可进行下一步作业6.2.3 危险分级预测实施方案对于一个有冲击矿压危险的矿井和采区,首先根据综合指数法分析地质和开采条件,划分出冲击矿压危险区域及重点监测区域,实现冲击矿压的早期预测。 在早期预测的基础上,采用微震法,对矿井冲击矿压的危险性进行区域监测和预测;对于有危险的区域,采用微震法和电磁辐射法,进行局部监测和预测;对于局部预测有危险的区域,采用钻屑法进行预测验证. 综合确定冲击矿压危险等级,并对危险区域和地点采用强度弱化减冲技术进行治理。具有冲击矿压危险的区域,分级预测及治理的工作流程为：早期综合预测(综合指数法确定重点监测区域)即时预测区域预测(微震法连续监测、即时预测工作面区域冲击危险性)局部预测(微震法、电磁辐射法连续监测、即时预测工作面局部冲击危险性)点预测(钻屑法验证区域局部监测的准确性,并进行点预测)逐级排除、确认危险等级解危处理(煤岩体的强度弱化减冲治理,消除冲击危险)治理效果检验(微震、电磁、钻屑检验解危效果)因此,对于冲击矿压危险的矿井,在分析冲击矿压发生机理的的基础上,采用时间上早期综合分析预测与即时预测相结合,空间上区域预测与局部监测、点预测相结合,构成可靠性高、简单易行、行之有效的冲击矿压危险性预测技术体系,见图5.2。图5.2 冲击矿压的分级预测技术体系7 冲击矿压的控制技术冲击矿压防治作为一种控制系统，根据时机、对象和目的的不同，可以把控制划分为预先控制、现场控制和成果控制三种类型。本节着重介绍前两种控制。7.1 冲击矿压预先控制技术7.1.1 合理的布置和开采方式 开采煤层群时，开拓布置应有利于解放层开采。首先开采无冲击危险或冲击危险小的煤层作为解放层，且优先开采上解放层。应保证合理开采顺序，最大限度地避免形成煤柱等应力集中区。由于煤柱承受的压力很高，特别是岛形或半岛形煤柱，要承受几个方面的叠加应力，因而最易产生冲击矿压。上层遗留的煤柱还会向下传递集中压力，达相当大的深度，导致下部煤层开采时也易发生冲击矿压。采区的采面应朝一个方向推进，避免相向开采，以免应力叠加。因为相向采煤时上山煤柱逐渐减小，支承压力逐渐增大，很容易引起冲击矿压。在地质构造等特殊部位，应采取能避免或减缓应力集中和叠加的开采程序。在向斜和背斜构造区，应从轴部开始回采;在构造盆地应从盆底开始回采;在有断层和采空区的条件下，应采用从断层或采空区开始回采的开采程序。有冲击危险的煤层的开拓或准备巷道、永久硐室、主要上(下)山、主要溜煤巷和回风巷应布置在底板岩层或无冲击危险煤层中，以利于维护和减小冲击危险。回采巷道应尽可能避开支承压力峰值范围，采用宽巷掘进，少用或不用双巷或多巷同时平行掘进。对于首采区的回采枪眼应躲开高应力集中区，选在采空区附近的压力降低区为好。开采有冲击危险的煤层，应采用不留煤柱垮落法管理顶板的长壁开采法。回采线尽量是直线且有规律地推进。不同的采煤方法，矿山压力的大小及分布也不同。顶板控制采用全部垮落法，工作面支架采用具有整体性和防护能力的可缩性支架。早期统计表明，采用非正规采煤法的采区冲击矿压次数多、强度大，水力充填次之，全部垮落法次数少且强度弱。我国发生冲击矿压的煤层其顶板大多又厚又硬，不易垮落。7.1.2 开采保护层开采保护层是防治冲击矿压的一项有效的、带有根本性的区域性防范措施。由于煤层开采的结果，导致上覆岩层变形、破断和向已采空间移动。根据岩层移动的观测研究，采空区上覆岩层的移动情况7.1.3 工作面参数的确定工作面长度回采工作面和采空区的大小对冲击矿压的影响很大。对于一个新采区的第一个工作面来说，由于两边都是实体煤，开始，顶板处于四周固体状态。当顶板初次断裂后形成三边固支状态，这种状态下，工作面的压力最小，冲击矿压危险性也最小。采高一般情况下，效率最高、对工作面生产最有利的开采高度是2.5 -3.0m。而在这种采高情况下，发生冲击矿压的比例也高达72%。随着采高的增加冲击矿压危险性也随之增高。如果降低采高不能保证坚硬顶板不断裂运动，则可使顶板的坚固性增加，在其破断时，将会释放更大的能量。在这种情况下，降低采高是无益的，除非保证坚硬顶板岩层不发生断裂破坏。推进速度大量的研究表明，回采工作面的推进速度与低能量的矿山震动之间存在着明显的关系，即工作面的推进速度越快，产生的矿山震动就越多。煤层的开采顺序及开采方向对于煤层群开采，其正确的开采顺序与煤层冲击倾向性和煤层群的解放层开采等紧密相关。首先，第一个开采煤层应该是能够卸压的煤层，而且没有煤的冲二剐倾向性或为弱冲击倾向性。其次，在开采解放层时，应考虑煤层之间的间距、顶底板岩性和采空区处理方式等。因为这些决定着解放层的卸压方式和卸压程度。7.2 冲击矿压现场控制技术措施7.2.1 煤层注水煤层注水是通过高压向煤体注水，以改变煤体的物理性质及在煤岩体周围产生裂缝，起到降低煤体抗压强度和破坏原有结构以释放积聚的能量降低所受应力的目的。大量的研究表明，煤系地层岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低。7.2.2 爆破卸压爆破卸压是通过在煤岩体中实施钻孔及爆破来改变应力分布从而起到卸压的目的一种卸压措施。在回采工作面及上下两巷，振动爆破能最大限度地释放积聚在煤体中的弹性能，在工作面附近及巷道两帮形成卸压破坏区，使压力升高区向煤体深部转移。振动爆破的合理布置及合理的装药量，不仅形成岩体震动，在一定程度上形成煤体的松动带，而且落煤方便。卸压爆破是冲击矿压解危措施中最常用的一种方法。7.2.3 钻孔卸压采用煤体钻孔可以释放煤体中积聚的弹性能，消除应力升高区。顶板岩层作用在煤体上，工作面前方煤体所受的压力将有比较大的升高，而钻孔卸压通过钻孔使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移。这种方式的卸压过程是以巷道周边岩体的完整结构被破坏为代价的。7.2.4 定向爆破裂缝法定向爆破裂缝法的原理与定向水力裂缝法的原理是一样的，不同之处只是将高压水换成了炸药。其预